单电磁阀和冗余电磁阀控制仪表开关阀原理
串联、并联组合方式及应用原理详解
基本概念
仪表开关阀：通常指气动执行机构驱动的阀门（如球阀、蝶阀、闸阀等），通过气源压力来驱动阀门开关。
电磁阀：利用电磁线圈通电产生的磁力来驱动阀芯运动，从而接通或切断气路。它是气路的’电开关’。
单电控电磁阀：线圈通电时，阀芯动作；断电时，靠弹簧力自动复位到初始位置。特点是’断电复位’。
双电控电磁阀：有两个线圈。给线圈A通电，阀芯切换到A位置并保持；给线圈B通电，阀芯切换到B位置并保持。两个线圈都断电时，阀芯保持在最后动作的位置。特点是’双稳态’、’记忆功能’。
单电磁阀控制
单电磁阀控制是最基本、最常见的方式。
常开型与常闭型配置
常闭型电磁阀 + 故障关气动阀：
- 原理
：电磁阀断电时，气路切断，气动执行机构内的气体通过电磁阀排气，阀门在弹簧作用下回到关闭位置（故障关）。电磁阀通电时，气路接通，气压推动执行机构压缩弹簧，使阀门打开。 - 应用
：这是最常见的’故障安全’型配置。例如，燃气管线的紧急切断阀，失电时自动关闭，确保安全。
常开型电磁阀 + 故障开气动阀：
- 原理
：电磁阀断电时，气路接通，阀门保持在打开状态（故障开）。电磁阀通电时，气路切断，执行机构排气，阀门在弹簧作用下关闭。 - 应用
：用于需要保证物料持续流通的场合。例如，冷却水管的切断阀，失电时阀门打开，确保设备不会因缺水而过热。
小结：单电磁阀控制结构简单、成本低，能实现基本的’故障安全’位置（故障开或故障关）。但其安全状态完全依赖于电磁阀断电和气缸的弹簧，在气源故障时同样能回到安全位。
双电磁阀控制
双电磁阀控制主要用于提高系统的安全性和可靠性，常见于安全仪表系统（SIS）或高可用性场合。其核心应用就是串联和并联。
双电磁阀控制原理示意图
串联示意图
串联：’与’逻辑
并联示意图
并联：’或’逻辑
1. 串联（’与’逻辑）
这种方式下，两个电磁阀在气路上是串联的，必须两个电磁阀同时导通，仪表阀才能获得气源压力并动作。
工作原理：
- 正常打开阀门
：两个电磁阀的’开’线圈（假设为SOL-1 Open和SOL-2 Open）必须同时通电，高压气体才能依次通过两个电磁阀，最终到达气动执行机构的开腔，驱动阀门打开。 - 任何故障导致关闭
：只要任意一个电磁阀的’开’线圈失电，或者其本身出现故障（如卡涩、堵塞），气路就会被切断，执行机构会排气，阀门在弹簧作用下回到安全位置（通常为关闭）。 - 关闭阀门
：需要给两个电磁阀的’关’线圈（SOL-1 Close和SOL-2 Close）通电（对于双电控）或让它们的’开’线圈断电（对于单电控配置的串联）。
应用原理与场景：
- 原理
：实现了’1oo2’（二选一）的故障安全逻辑。即两个通道中任何一个检测到危险，就能触发安全动作。 - 场景
： - 高安全性要求
：例如，高压反应釜的进料阀，需要两个独立的温度或压力高高报警信号（来自两个不同的传感器和控制器）都满足时，阀门才允许打开。任何一个信号异常，阀门立即关闭。 - 冗余诊断
：可以定期对其中一个电磁阀进行测试，如果测试失败，系统仍能靠另一个电磁阀实现安全功能，提高了系统的可用性。
优点：安全性极高。单个元件故障会导向安全状态。
缺点：可能会产生’误停车’，因为任何一个无关的电磁阀故障都会导致阀门动作。可用性相对较低。
2. 并联（’或’逻辑）
这种方式下，两个电磁阀在气路上是并联的，只要有一个电磁阀导通，仪表阀就能获得气源压力并动作。
工作原理：
- 正常打开阀门
：只需给两个电磁阀中的任意一个（SOL-1 Open 或 SOL-2 Open）通电，高压气体就能通过该电磁阀到达执行机构，驱动阀门打开。 - 故障关闭
：必须两个电磁阀同时失电或故障，气路才会被完全切断，阀门才能回到安全位置。 - 关闭阀门
：需要同时切断两个电磁阀的气路。
应用原理与场景：
- 原理
：实现了’2oo2’（二选二）的动作逻辑和’1oo1’的关断逻辑（对于关断而言，需要两个都失效）。它提高了可用性。 - 场景
： - 高可用性要求
：例如，工厂的主工艺管线阀，不希望因为一个电磁阀的偶然故障就导致全线停产。即使一个电磁阀坏了，另一个仍能保证阀门正常打开，维持生产，同时系统会报警提示维护。 - 冗余控制
：可以从两个不同的控制器（如一个DCS，一个SIS）引出信号，实现冗余控制，确保控制指令的可靠性。
优点：可用性高。单个元件故障不会影响正常操作。
缺点：安全性较低。如果其中一个电磁阀发生’常通’故障（卡在开位），那么即使给另一个电磁阀断电，阀门也无法关闭，安全功能失效。
组合对比总结
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|---|---|---|---|
| 控制逻辑 |
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‘与’逻辑 (1oo2) | ‘或’逻辑 (2oo2) |
| 安全性 |
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非常高 |
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| 可用性 |
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非常高 |
| 成本 |
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| 故障模式 |
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故障安全
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故障运行
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| 核心应用 |
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安全仪表系统 (SIS)
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高级应用：三电磁阀组 (Tric)
在实际工程中，尤其是在SIS中，为了同时兼顾安全性和可用性，会采用更复杂的三电磁阀组结构。
- 结构
：通常由两个电磁阀并联，再与第三个电磁阀串联。 - 原理
： - 并联部分
：提高了可用性，单个电磁阀故障不影响阀门动作。 - 串联部分
：确保了安全性，当第三个电磁阀动作时，能强制切断两个并联电磁阀的气路。 - 效果
：它能够检测到其中一个并联电磁阀的’常通’故障，并在不中断工艺的情况下进行在线维护或更换，实现了安全性与可用性的最佳平衡。
结论
选择单电磁阀还是双电磁阀，以及采用串联还是并联方式，是一个在安全性 和可用性 之间进行权衡的工程决策。
- 追求安全
：选择串联。 - 追求稳定运行
：选择并联。 - 既要安全又要可用
：考虑三电磁阀组或更复杂的冗余结构。 - 常规应用，成本优先
：单电磁阀足以胜任。